不同開挖步驟引起淺埋隧道地表沉降的數(shù)值分析

1、不同開挖步驟引起淺埋隧道地表沉降的數(shù)值分析摘要:地鐵施工擾動地層，必然造成相應的地層變形。結(jié)合沿海地區(qū)軟土地區(qū)淺埋暗挖矩形隧道施工，使用有限元軟件對分部開挖進行非線性數(shù)值模擬， 分析 矩形隧道初期支護在開挖過程中的地表沉降變形。分析結(jié)果表明，淺埋軟土矩形大跨隧道在開挖過程中，群洞效應的作用和施工方案有密切關(guān)系，在此基礎(chǔ)上提出了控制地層變形的技術(shù)措施，在天津地鐵1期工程施工中得到了充分的利用并且取得了良好的效果。關(guān)鍵詞:淺埋隧道;軟弱圍巖;開挖;地表沉降;數(shù)值模擬1引言 淺埋暗挖法是在新奧法原理的基礎(chǔ)上，針對城市地下工程的特點而 發(fā)展 起來的。城市淺埋地下工程的特點主要是:覆土薄、地質(zhì)條件差(多

2、是未固結(jié)的土砂、粘性土、粉細砂等)、自穩(wěn)能力差、承載力小、變形快，特別是初期增長快，稍有不慎極易產(chǎn)生坍塌或出現(xiàn)過大的下沉。 天津地區(qū)位于海河下游，其土質(zhì)為軟土。軟土的特性為:天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水量大于液限的細粒土，應判定為軟土，包括淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭、泥炭質(zhì)土等，其壓縮系數(shù)宜大于0.5 MPa-1;不排水抗剪強度小于30 kPa。 矩形大跨隧道在開挖過程中應該避免“群洞效應”的作用，由于隧道施工過程和開挖順序的不同都會引起各自不同的應力和應變的非線性歷程，最終導致不同的力學效應，因此不同的開挖過程導致“群洞效應”作用的大小不同，隧道施工必須采用合理的開挖工序避免“群洞效應”

3、，以保證隧道施工安全。 淺埋暗挖隧道開挖時，地層巖體內(nèi)原有的天然應力場將重新分布以達到新的平衡狀態(tài)。這時，隧道兩側(cè)壁產(chǎn)生減壓區(qū)，壓應力消失，隧道圍巖聚集的彈性能將被釋放出來，造成圍巖被壓碎并向開挖空間內(nèi)突出。同時，隧道拱頂、底部產(chǎn)生減壓區(qū)，壓應力被拉應力所代替，從而引起圍巖被破壞，造成地下洞室附近地層移動與變形。2工程概況 風機房主通道圍巖主耍為粉質(zhì)粘土、粉土、粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土組成。其參數(shù)見表1,巖體整體穩(wěn)定性很差，地下水位高，施工采取價108大管棚超前支護，并利用小導管注漿來對土體進行預加固和堵水。 沿隧道斷面自上而下分成2層，每層高度為3.2 m，其分部如圖1所示，本文就“

4、左右為主”和“上下開挖為主”兩種開挖順序進行分析比較，方案1先上后下，開挖順序為1,6,2,7,3,8,4,9,5,10;方案2左右開挖，其開挖順序為:1,2,3,4,5,6,7,8,9,10。為更好的模擬施工，開挖前一部之前，要對隨即開挖的部分進行加固，如方案1中，開挖第1部時，就對第6部進行加固。 計算網(wǎng)絡(luò) 劃分圖如圖2所示，該模型有1 978個節(jié)點，924個單元。3計算結(jié)果分析 按照上述兩種方案，通過數(shù)值模擬計算得到各個開挖步驟的沉降槽曲線對比及隧道中線地表點沉降，如圖3所示。 基于土體本構(gòu)模型為非線性模型，地表沉降曲線的變化是一個非線性不可逆的過程，由圖3可以看出，不同的施工方案地表沉

5、降曲線是不一樣的。 從圖3ag可以看出，方案1由隧道開挖引起的地表沉降曲線，在施工初期沉降量大，而且 影響 范圍小，曲線呈現(xiàn)出與peck曲線較為一致的形狀;而方案2,由于開挖深度不增加，開挖寬度在不斷增加，所以其沉降量比方案1小，但是其影響范圍比方案1要寬。由圖3 可以看出，方案1中隧道開挖引起的地表變化，其變化量較方案2大，影響范圍較方案1窄。 從圖3ae 可以看出，方案2，由于下部隧道的開挖，使得地表沉降曲線呈現(xiàn)出多峰，即地表沉降曲線有2個峰值，這是由于底部隧道開挖時“群洞效應”作用明顯，每開挖一部，都要對隧道上部的地表變形產(chǎn)生很大的影響，地表沉降加速。由圖3fg可以看出，方案2引起的地表

6、沉降曲線出現(xiàn)偏移，出現(xiàn)在最后一部開挖側(cè)，而且其累計沉降量要比方案1大的多，其非線性表征的形狀與左右對稱的peck曲線不相符，因此peck曲線是作為有限誤差的預測 方法 。 由圖3g可以看出，方案1引起的地表沉降累計沉降量小、 影響 范圍窄，而方案2引起的地表沉降量大，且影響范圍寬，而且其開挖過程中曲線呈現(xiàn)多峰狀，大的沉降量和沉降寬度不利于保護隧道上方環(huán)境，施工中應該避免此種情況的發(fā)生。 圖3還可以看出，無論方案1還是方案2，都在距離隧道兩側(cè)一定區(qū)域內(nèi)存在地表隆起現(xiàn)象，與大量工程實踐相符合。 由表2和圖4可以看出，方案一引起的地表沉降最大為36.16 mm，本方案單部最大沉降量為4.76 mm

7、;方案2引起地表沉降量累計達到56.66 mm，本方案單部開挖引起的沉降量最大為17.98 mm。對于方案2如此大的沉降量對隧道初期支護、隧道上方的建筑物、管線將產(chǎn)生重要的影響，施工中應該采取跟蹤注漿等相關(guān)措施確保隧道初期支護和上方的建筑物、管線的安全。由圖4還可以看出，在方案1中，隧道開挖施工引起的地表沉降速度較均勻，而方案2中，隧道開挖施工引起的地表沉降變化不均勻，前期變化量大，中期小，而后期受“群洞效應”的影響，變化量驟增。4結(jié)論 由于隧道施工過程和開挖順序的不同都會引起各自不同的應力和應變的非線性歷程，最終導致不同的力學效應。大跨隧道的施工中，由于需要分部開挖，那么開挖順序的不同，導致

8、的“群洞效應”作用的大小也不一樣，因此制定開挖方案時，應注意采取較為優(yōu)化的方案應避免出現(xiàn)“群洞效應”，以保證隧道施工安全。 隧道施工過程中，由于開挖順序不一樣引起的地表沉降量和沉降槽的寬度也不一樣，在施工過程中應選擇合適的施工方案，有利于保護隧道上部建筑物、管線等，同時還要采取積極的施工措施如跟蹤注漿等確保隧道上方環(huán)境安全。 現(xiàn)場具體施工方案應該綜合考慮多種因素。如一方面既要考慮技術(shù)可行性，另外一方面又要考慮成本、工期、安全質(zhì)量等，只有這樣才能使方案更具有實用性。 參考文獻 1Wagner H. Design and undreground excavation in highly stres

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